Kirigami激发了可穿戴传感器的新方法

随着可穿戴传感器的普及，对一种能抵御人体自然运动所带来的压力和紧张的材料的需求变得越来越重要。为此，伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究人员开发了一种采用kirigami结构的方法，以帮助材料变得更耐压，更能适应运动。

与更为人所熟知的折纸艺术折纸类似，kirigami除了折叠外还包括切割。机械科学与工程学院副教授南成宇(音)和Keong Yong领导的团队成功地将“基里加米结构”应用到超薄材料石墨烯上，创造出了适用于可穿戴设备的传感器。“为了获得最佳的传感结果，你不希望你的运动产生额外的信号输出，”南指出。“我们使用kirigami切割提供超出材料正常变形的伸缩性。这种特殊的设计非常有效地将运动伪影与所需信号解耦。”

为了实现这些结果，研究团队能够通过与机械科学与工程教授Narayana Aluru合作，并通过在一个纳米制造节点上开发在线软件(这是第一个被开发的此类节点)来执行一些模拟。在线软件平台允许研究人员在创建实际设备或平台之前进行模拟。

一旦团队想出了一个在模拟中运行良好的设计，就该进行测试了。与金属和其他传统材料相比，石墨烯能够承受显著的变形和断裂，因此它似乎是一种很有前途的材料。由于石墨烯是一种原子薄材料，研究团队能够将石墨烯层封装在两个聚酰亚胺层之间(同样的材料用于保护可折叠智能手机)。“三明治”制作完成后，他们接下来设计了“基里加米”切口，以增强材料的延展性。南教授说:“由于石墨烯对外部变化敏感，而且是一种柔韧的半金属导体，人们对利用它制造传感器非常感兴趣。”“这种灵敏度非常适合检测你周围的东西，比如汗液中的葡萄糖或离子水平。”

研究小组发现，采用kirigami结构不仅使石墨烯具有延展性，而且不受应变影响，不受运动干扰，这意味着即使它变形了，电状态也没有变化。具体来说，他们发现石墨烯电极的应变不敏感性高达240%的单轴应变，或720度扭转。“有趣的是，当你拉伸它的时候，你会产生一个平面外的倾斜，”南说。“这就是为什么这个结构能产生如此大的变形。”

在他们的设计中，研究人员将主动传感元件放在由基里加米石墨烯制成的两座“桥梁”之间的“岛屿”上。尽管石墨烯在弯曲和倾斜过程中没有失去任何电信号，但它仍然承受了拉伸和拉伸的载荷，使主动传感元件保持与表面的连接。因此，kirigami具有重新分配应力集中的独特能力，从而实现增强的定向机械属性。